馮占一 張志義*

（1、北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132000 2、北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林132000）

1 概述

石墨是目前加工行業(yè)應(yīng)用最廣泛最多的電極材料。石墨電極質(zhì)量輕，具有良好的耐腐蝕性和韌性[1]，國內(nèi)外廠商對于石墨電極的需求量與日俱增。石墨電極在高溫下也不軟化、不熔化，在實(shí)際的生產(chǎn)加工中正在逐漸取代原有的銅電極，因而被大量使用到冶煉金屬與有色金屬等相關(guān)領(lǐng)域[2]。選擇石墨電極不僅因?yàn)槠洳牧闲阅軆?yōu)越，更因?yàn)槠渲圃斐杀镜土畵碛惺袌鰞r(jià)格優(yōu)勢，所以石墨電極的加工對煉鋼、冶金等行業(yè)的促進(jìn)有著去足輕重的影響[2]。石墨電極一般用石油焦、針狀焦作基本素材，選擇煤瀝青等作為連接劑，經(jīng)過碎末化與混合、混捏、壓型、焙燒、石墨化、機(jī)械加工等諸多步驟加工而成[3]。

2 仿真

實(shí)驗(yàn)選擇工廠常用的普通功率石墨電極，本文選用PCD 金剛石刀具以及硬質(zhì)合金YG8 材料的刀具。兩種刀具材料的物理參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。石墨電極的物理參數(shù)如表2 所示。

表1 兩種刀具材料的物理性能

表2 石墨電極物理性能指標(biāo)[7]

除了刀具的材料，有許多因素能夠影響切削力。此次實(shí)驗(yàn)主要選擇刀具材料、切削深度ap以及切削速度vc的變化來分析其對石墨車外圓切削力的影響。本次采用切削的長度為100mm，切削深度ap為1mm、2mm、4mm、6mm，切削速度vc為100mm/min、160mm/min、200mm/min。石墨電極切削的簡化模型如圖1 所示，石墨電極車外圓仿真應(yīng)力云圖如圖2 所示。

圖1 石墨電極車外圓仿真

圖2 石墨電極車外圓應(yīng)力模型

切削力是石墨電極加工中優(yōu)先考慮的的參數(shù)，圖3 表示了在不同ap、vc下，硬質(zhì)合金刀具、金剛石刀具所切削石墨工件的進(jìn)給力。圖4 表示在不同切削深度、切削速度下，切向力變化曲線。在相同條件下，切削力越大刀具磨損越嚴(yán)重。由仿真結(jié)果看出，金剛石刀具的切削力要小于硬質(zhì)合金刀具。且兩種材料刀具切削石墨電極的進(jìn)給力、切向力與ap成正比。

圖3 不同切削深度ap 下仿真的進(jìn)給力Ff

圖4 不同切削深度ap 下仿真的切向力Fc

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的平臺為數(shù)控車床CK0630，選取三維力傳感器采集數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)將切削力分解為三個(gè)相互垂直的分向力，即切向力Fc、背向力Fp、進(jìn)給力Ff，分析三維力傳感器的采集結(jié)果。

在兩種刀具下利用正交實(shí)驗(yàn)分析切削深度ap對切削力的影響。圖5 是兩種刀具下切削深度ap對進(jìn)給力Ff的影響趨勢。圖6 是兩種刀具下切削深度ap對切向力Fc的影響趨勢。

圖5 不同切削深度ap 下的進(jìn)給力Ff

圖6 不同切削深度ap 下的切向力Fc

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察得知，同等條件下金剛石刀具產(chǎn)生的進(jìn)給力與切向力均小于硬質(zhì)合金刀具。且隨著切削深度ap的增加，進(jìn)給力Ff以及切向力Fc均有十分清晰的增加趨勢，在石墨電極切削的過程中由于石墨材料裂紋擴(kuò)展路徑攜帶的石墨體積增加，加工所需的切削力也會隨之增加。

在石墨電極車外圓時(shí)，切削力越小已加工表面質(zhì)量越好。由此看出選擇刀具時(shí)，金剛石刀具的切削效果明顯好于硬質(zhì)合金。表面光潔度越好越能達(dá)到要求，通過粗糙度儀檢驗(yàn)加工完成的石墨電極工件，選取表面的粗糙度最佳的工件。得出當(dāng)切削速度為160mm/min，ap為6mm 時(shí)，石墨電極工件表面質(zhì)量較高。

4 結(jié)論

本文采取正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，探索刀具材質(zhì)、切削深度與進(jìn)給力、切向力之間的聯(lián)系。通過仿真和車削實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析，對比發(fā)現(xiàn)：在相同的條件下，金剛石刀具的切削力明顯小于硬質(zhì)合金刀具，由于切削力越小已加工表面質(zhì)量越好，所以金剛石刀具在石墨電極車外圓的生產(chǎn)中更具優(yōu)勢。且進(jìn)給力Ff、切向力Fc隨切削深度ap增大而增大。當(dāng)ap為6mm，vc為160mm/min，切削力較小，表面粗糙度更符合要求。由于在不同切削深度ap下的進(jìn)給力、切向力數(shù)值，ABAQUS 軟件的仿真結(jié)果均比實(shí)驗(yàn)車外圓的結(jié)果大，說明ABAQUS 仿真的過程中存在漏洞，本次實(shí)驗(yàn)在仿真方面還需要優(yōu)化。